太阳能光伏组件伏安特性实验研究

2012-08-11邓永和张景森王志刚

湖南工程学院学报（自然科学版） 2012年3期

邓永和，张景森，阎金，王志刚

（湖南工程学院理学院，湘潭411104）

太阳能做为清洁能源相对于常规能源的有限性，具有储量的“无限性”，为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景.在目前的技术发展水平下，太阳能利用不仅可能而且可行［1－2］.

上世纪50年代的第一块实用硅太阳电池的问世，揭开了光电技术的序幕，也揭开了人类利用太阳能的新篇章［3］.1998年，世界太阳电池年产量已超过150MW，是1994年产量的两倍还多.单晶硅太阳电池的平均效率为15%，最高效率已达24.7%；多晶硅太阳电池效率也达14%，最大效率为19.8%；非晶硅太阳电池的稳定效率，单结为6%～9%，实验室最高效率为12%，多结电池为8%～10%，实验室最高效率为11.83%［4－5］.

我国的光伏发电应用始于20世纪70年代，在20世纪末，我国太阳能电池的研究和生产还处于基础和小规模阶段.在当前国际国内能源日趋紧张的形势下，受西方发达国家大力推广太阳能光伏发电应用并取得显著成效的鼓舞［6－7］.我国在2005年3月正式颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，并于2006年开始实施.该政策的出台，将促进我国太阳能光伏发电产业的大发展，使太阳能光伏发电量上升到一个新的水平.当前影响光电池大规模应用的主要障碍是制造成本太高［8］.因此，发展太阳能电池的主要目标是通过改进现有的制造工艺，设计新的电池结构，开发新颖电池材料等降低制造成本，提高光电转换效率.

1 试验方法

单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟.在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率可达到15%.在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位［9］，实验用太阳能电池组件由深圳索阳太阳能电池有限公司生产提供的单晶硅太阳能组件.实验测试电压与电流输出的测试仪器采用的是深圳市费思泰克科技公司生产的FT8三位半的数字万用表，测试用匹配电阻箱是上海电表厂的ZX90，其它的连接导线是自制的铜质导线.

在一定的光照和温度条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特性.负载电阻为零时测得的最大电流ISC称为短路电流，负载断开时测得的最大电压VOC称为开路电压，太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积.

2 试验结果与讨论

实验中通过对太阳能组件的串联与并联，达到对电流、电压的扩展，研究不同组合太阳能电池的性能.实验中采用伏安法测电压电流，在一定的光照强度和温度条件通过调节外联负载的电阻大小，测试组件的电压、电流数据，研究太阳能电池的主要性能.实验过程中综合考虑了包括环境温度、光照条件在内的多个因素，通过多次测量并记录各不同条件下太阳能电池的输出特性.每次测量前都在暗室内进行暗电流的测试，掌握一切微小因素，力求更精确地测出太阳能电池组件伏安特性曲线.客观地反映了实验测试的必要性和可行性.

在研究之前对5W单片光伏组件的电压电流进行了测试，测试的开路电压为20V，短路电流为0.25A，与厂家提供的数据一致.

图1（a）测试了10片5W的太阳能电池组件的伏安特性，在电流很小的开路情况下，输出电压为20V，在输出电流为2.4A时，输出电压呈直线下降到零.测试反映了实验用太阳能组件具有优异的性能.测试组件的功率与输出电流的关系见图1（b），分析发现输出功率随着输出电流的的增大近似线性增大.图1（b）测试在电流2.5A处功率接近最大，但没有达到最大功率，可能与当时太阳的强度等实验因素有关系.

图1 10片5W的太阳能组件并联的伏安特性曲线（a）及输出功率与输出电流的关系（b）

图1的实验过程中综合考虑了包括环境温度、光照条件在内的多个因素，通过多次测量并记录各不同条件下太阳能电池的输出特性.每次测量前都在暗室内进行暗电流的测试，力求更精确地测出太阳能电池组件伏安特性曲线.

6片5W的太阳能组件串联的电压电流特性的关系如图2所示，经分析特性曲线与理论值基本接近，总体伏安特性走势与理论也相一致.随着电压的减小，不同规格的太阳能电池组合中的电流都是增大到一定程度后，基本保持不变.随着电流的增大，与图1中6片5W串联组合的电压走势稍微平缓些，不同规格的太阳能电池组合与单片的太阳能伏安特性曲线是一致的，可以认为太阳能电池组合对伏安特性曲线的影响很小.

图2 6片8W太阳能组件串联的伏安特性曲线

从图2可以看出，6片8W太阳能组件串联的伏安特性曲线达到电流饱和时的电压为98.6V，小于理论的120V，可以认为多片串联后的输出电压有一定的降低，而输出电流的变化并不明显.并且内阻大的达到饱和时电压较小.在电压一定的情况下，根据太阳能电池组合的电流走势关系，随着外电路输出电流不断增大，电压在一定范围内是保持不变的，之后才开始减小的，最终达到零.当饱和电流为0.20A，输出电压迅速降为零，实验发现10片5W串联的短路电流减小了.分析得到在输出电流不大的情况下，输出电压与所加负载无关，主要取决于光照强度.

不同规格的太阳能电池组合饱和电流也是不一样的.图3中曲线A为5片5W的光伏组件并联的伏安特性曲线，输出最大电流为1.27A，曲线B为3片5W光伏组件并联的伏安特性曲线，输出最大电流为0.80A，曲线C为单片5W光伏组件的伏安特性曲线，输出最大电流为0.25A，曲线B为10片5W光伏组件并联的伏安特性曲线，输出最大电流为2.5A.

图3 不同规格太阳能组件并联组合的伏安特性曲线

分析图3可以得到并联之后的最大电流较单片的电流基本一致，但是稍微有些增大，测试发现输出电流在输出电压小于10V以后几乎没有变化，这与图2测试得到的结果一致.当输出电压大于17.8V以后，输出电流迅速减小，这和厂家提供的光伏组件的充电电压为17.8V是一致的，能达到很好的充电性能.

研究发现在光照强度与温度一定的情况下，太阳能电池的饱和电流与其半导体材料的性质有关，因此研究不同的半导体材料的太阳能电池，提高饱和电流值，是能够提高太阳能电池匹配负载的能力，从而提高光伏板的太阳能转化率.

研究了光伏组件组合后的输出功率随着输出电压的不断增加，电池的输出功率逐渐增大，达到最大输出功率Pmax后急剧减小直到为0，根据输出电压与功率特性，光伏组件能再一定的程度上体现自保和对被充电电池的保护.其变化情况与理论基本相一致，说明输出功率变化受到外界所加负载的影响，并且在负载一定的情况下，太阳能电池能够达到最大输出功率.组合后在输出电压小于17.8V的情况下，输出功率与输出电压成线性关系，最主要是因为在输出电压小于17.8V的输出电流几乎不变保持为恒电流输出.与图1中10片串联光伏太阳能电池的伏安特性曲线相符合.

在连接负载不同的情况下光伏电池的输出电压基本上能恒定不变，维持在12V左右，随着电流的增大，输出的功率导线性增加，当电流达到最大值的时候，此时功率值最大，然而随着电流继续增加，在负载一定的情况下，功率却逐渐减小.光伏太阳能电池的输出功率随负载电阻的增加而变化.显然当光照强度与周围环境温度一定的情况下，太阳能电池的输出功率在负载电阻一定范围内增大而增大，但负载电阻超出一定值，输出功率随着负载电阻的继续增大，输出功率减小，反映了光伏组件具有一定的内阻，当负载与内阻匹配时，输出功率最大.在光伏组件工作时要合理的选择负载，提高太阳能电池的利用率.